Le projet HiCIBaS (High-Contrast Imaging Balloon System) est une mission de télescope à ballon dirigé dans le but de l'imagerie exoplanète en utilisant des techniques à contraste élevé. Pour la première mission en 2018, les principaux objectifs étaient de développer les systèmes nécessaires et de valider leurs performances, d'acquérir des données de vol et de prouver la capacité de survie de tous les systèmes et composants majeurs dans des conditions proches de l'espace. Ce projet de maîtrise porte sur deux aspects de la charge utile : la conception de la monture de télescope alt-az dynamique pour le système de pointage et le développement des sangles thermiques personnalisées pour le système optique. La monture du télescope est la structure qui supporte le télescope et permet aux moteurs du système de pointage de le diriger vers la position souhaitée. Les sangles thermiques personnalisées sont une solution développée pour dissiper la chaleur générée par les principaux composants du système optique (caméras, contrôleurs, etc.). Les deux solutions ont été testées lors d’un vol de nuit en août 2018 dans le cadre de la campagne STRATOS de l’agence spatiale canadienne à Timmins, en Ontario. Ce mémoire définira les exigences des deux systèmes, présentera le développement des conceptions, détaillera les analyses et les tests effectués, démontrera la conformité aux exigences, commentera sur les performances de la mission et donner des conseilsdes moyens d'améliorer les deux conceptions pour les futures itérations du projet. / The HiCIBaS (High-Contrast Imaging Balloon System) project is a balloon-borne telescope mission with the big-picture goal of exoplanet-imaging using high-contrast techniques. For the scope of the pilot mission in 2018, the main goals were to develop the necessary systems and validate their performance, acquire flight data, and prove the survivability of all systems and major components in near-space conditions. This Master’s project deals with two aspects of the overall payload : the design of the dynamic alt-az telescope mount for the pointing system and the development of the custom thermal straps for the optics system. The telescope mount is the structure that supports the telescope and allows the pointing system’s motors to direct it to the desired position. The custom thermal straps are a solution that was developed to dissipate the heat generated by the optics system’s main components (cameras, controllers, etc.). Both solutions were tested during an overnight flight in August of 2018 under the Canadian Space Agency’s STRATOS campaign in Timmins, Ontario. This mémoire will define the requirements for both systems, present the development of the designs, detail the analyses and tests performed, demonstrate conformance to the requirements, commenton mission performances, and provide insight on ways to improve both designs for future iterations.

Elément essentiel de la composition atmosphérique, les particules jouent un rôle important tant sur la qualité de l'air que sur le bilan radiatif de la Terre. Ce travail de thèse est une contribution à une meilleure compréhension des mécanismes de formation par nucléation de nouvelles particules dans l'atmosphère naturelle. Il est orienté vers l'observation des premiers instants de la formation des particules, associée à la connaissance des conditions environnementales ayant favorisé ou limité son développement. Cette étude expérimentale est basée sur un ensemble de mesures longue durée sur deux sites d'altitude : le puy de Dôme (1465m, France) et l'observatoire ABC-Pyr, situé au pied de l'Everest (5079m, Népal). Nous avons dans un premier temps caractérisé l'aérosol présent sur le site du puy Dôme, et observé une forte variabilité saisonnière des concentrations, avec un maximum en été. Nous proposons des spectres dimensionnels représentatifs de chaque type de masse d'air (marine, continentale, régionale) en conditions de fond. La variabilité de la composition de l'atmosphère sur le site de ABC-Pyr apporte également des informations nouvelles sur le bruit de fond dans la Troposphère et l'influence des transports local/régional et longue distance. Sur les deux sites, on observe pour la première fois en haute altitude une fréquence élevée d'événements de nucléation. Une étude statistique montre que les processus photochimiques favorisent la nucléation et la croissance et que l'effet des nuages est également important, mais plus complexe. Le transport en altitude semble être, dans nos études, un processus favorisant les évènements de nucléation. Nous constatons que ce phénomène a une extension spatiale importante et que son influence sur le bilan radiatif et le climat ne peut pas être anodine.

Les objets spatiaux en basse orbite dont les satellites et les débris spatiaux représentent une menace croissante; leur vitesse relative fait que même les plus petits représentent un potentiel danger pour les infrastructures spatiales. Alors que les instruments optiques et radars permettent une bonne couverture des débris de grande taille (> 1 m), la population de débris spatiaux proche du centimètre est mal représentée dans les catalogues. Le suivi de ces objets implique l'utilisation d'un imageur fixe sur des observatoires ou des satellites à la recherche d'objets en mouvement, mais cette solution est coûteuse et le temps d'accessibilité est limité selon le nombre de projets. Une alternative est d'utiliser les ballons stratosphériques pour l'observation du ciel avec un détecteur capable d'effectuer des acquisitions rapides, empêchant ainsi le signal faible de l'objet d'être noyé dans le signal du bruit de fond. Ce projet de recherche se concentre sur l'observation de cette population de débris, en utilisant une caméra Electron Multiplying Charge Coupled Device, Hnü512 de Nüvü Caméras, avec sa capacité de comptage de photons et une fréquence d'acquisition rapide, dans le domaine du visible sur un ballon stratosphérique à 35-40 km d'altitude. Le lancement du ballon stratosphérique a été effectué le 22 août 2023 à la base de lancement de l'Agence Spatiale Canadienne, à Timmins, Ontario. Ce document présente les différentes phases de la conception d'une charge utile et une analyse d'une séquence d'empilement d'un objet en mouvement sur 113 acquisitions avec un champ de vue de 2,347°, un temps d'exposition de 4,5 ms et un gain EM de 2500. De plus, ce projet est en collaboration avec le projet HiCIBaS-II, un télescope pour l'observation directe d'exoplanète par imagerie à haut contraste embarqué sur un ballon. Ce travail contribue à l'effort global sur la connaissance de la situation spatiale en évaluant l'impact de l'inclusion de l'imagerie optique embarquée dans les systèmes de détection sur ballon. / Low-orbit space objects represent a growing threat ; their relative speed means that even the smallest objects are a potential danger to space infrastructures. While optical and radar instruments provide good coverage of large debris objects (> 1 m), the near-centimeter space debris population is poorly represented in catalogs. Tracking these objects involves searching for moving objects using a fixed imager on observatories or satellites, but this solution is costly and time is limited by the number of astronomical projects. An alternativeis to use stratospheric balloons for sky observation, with a detector capable of making short exposures, thus preventing the object's weak signal from being drowned out by the background signal.This research project focuses on observing this debris population, using an Electron Multiplying Charge Coupled Device camera, Hnü512 from Nüvü Cameras, with its photoncounting capability and fast frame rate, in the visible range on a stratospheric balloon at35-40 km altitude. The stratospheric balloon was launched on August 22, 2023 from the Canadian Space Agency's launch pad in Timmins, Ontario.This document presents the various phases involved in designing a payload and an analysisof a stacking sequence of a moving object over 113 acquisitions with a field of view of 2.347°, an exposure time of 4.5 ms and an EM gain of 2500. In addition, this project is in collaboration with the HiCIBaS-II project, a balloon-borne telescope for direct observation of exoplanets using high-contrast imaging. This work contributes to the global effort on space situational awareness by assessing the impact of including onboard optical imagingin balloon-based detection systems.

Titre de l'écran-titre (visionné le 5 janvier 2024) / Les ballons stratosphériques étant une avenue relativement nouvelle pour tester des avancées technologiques ou faire des observations astronomiques, les données sur les turbulences atmosphériques à 40 km d'altitude sont encore limitées. Une mission précurseur telle qu'HiCIBaS (High Contrast Imaging Balloon System) doit donc caractériser les turbulences et s'assurer qu'il est possible de les corriger suffisamment pour faire des observations avec une bonne qualité d'image. Cela est d'autant plus vrai que le but à long terme d'HiCIBaS est de faire de l'imagerie haut contraste pour la détection directe d'exoplanètes, ce qui exige de travailler avec peu de photons. Ce mémoire traite du design et de la validation du système optique d'HiCIBaS-II dont le but porte exclusivement sur la mesure des turbulences atmosphériques à 40 km et dont le lancement est prévu à la mi-août 2023. La charge utile de l'instrument comporte un télescope Schmidt-Cassegrain de 35 cm de diamètre, deux caméras de guidage et un analyseur de front d'onde de type Shack-Hartmann utilisé en boucle fermée avec un miroir plan collé sur un miroir piézoélectrique qui permet de corriger les erreurs de $tilt$. Les turbulences engendrant principalement du $tilt$, cette boucle fermée devrait être suffisante pour compenser les principales erreurs causées par ces perturbations, en plus de corriger les erreurs d'alignement causées par les gradients de température au sein de l'instrument et par les oscillations de la gondole. Des erreurs de conception et de fabrication mécanique ont complexifié l'alignement du banc optique et empêché l'atteinte de tous les requis. Des aberrations statiques résiduelles non négligeables se sont ainsi ajoutées dans les performances optiques finales. Bien que ce ne soit pas l'idéal, ces aberrations ont été jugées acceptables considérant la difficulté à aligner le montage et considérant que la plage dynamique du Shack-Hartmann est suffisamment grande pour aller chercher les données voulues. / The stratospheric balloons are still a new way to test technological advancements or to make astronomical observations. The data on atmospheric turbulence at 40 km are then few. A precursor mission like HiCIBaS (for High Contrast Imaging Balloon System) has to characterize this turbulence and be sure to correct it efficiently, so it is possible to make observations with a good picture quality. This is especially the case since the long-term goal of HiCIBaS is to do high contrast imaging for direct detection of exoplanets, which requires working with few photons. This master's thesis discusses HiCIBaS-II's optical system's design and validation. HiCIBaS-II's goal is limited to measuring atmospheric turbulence at 40 km. The launch is planned for mid-August 2023. The payload is composed of a Schmidt-Cassegrain telescope with a diameter of 35 cm, two guiding cameras and a Shack-Hartmann wavefront sensor used in a closed loop with a mirror on a piezoelectric motor to correct the tilt errors. Because turbulence causes mostly tilt errors, this closed loop should be sufficient to offset the main perturbations. It should also correct the alignment errors caused by thermal gradients in the instrument and the gondola oscillations. Conception and mechanical errors made the alignment of optical elements more complex and prevented the attainment of desired requirements. Some non-negligible static aberrations have then been included in the final optical performances. It is not the ideal situation, but the aberrations have still been judged acceptable considering the difficulty of aligning the assembly. It has also been judged that the Shack-Hartmann's dynamic range is large enough to pick up the desired data.

Dans ce mémoire, il est question de la conception d'une monture stabilisatrice pour un télescope monté sur un ballon stratosphérique. Ce projet de maîtrise s'inscrit dans le cadre du projet HiCIBaS qui vise à faire de l'imagerie haut contraste pour l'observation d'exoplanètes. Essentiellement, ce projet vise à produire une monture qui peut aligner un télescope commercial de 14 po avec une étoile cible avec une précision de plus ou moins 5 secondes d'arc crête à crête. Cette tolérance correspond au champ de vue du système optique rattaché à ce télescope. Le design choisi est celui d'une monture altitude-azimut avec un miroir de repliement Nasmyth. Le miroir de repliement permet de rediriger la lumière vers le système optique sans avoir à l'accrocher directement à la sortie du télescope. Les résultats de stabilisation en laboratoire n'ont pas donné les résultats escomptés étant donné la présence d'un jeu dans les moteurs adaptés à travailler dans des conditions de froid intense. Néanmoins, le contrôleur conçu dans le cadre de ce projet a permis de réduire l'intensité d'une perturbation à 0.7 Hz d'un facteur 5 environ. La fréquence de 0.7 Hz représente la fréquence de dandinement de la nacelle CARMEN dans laquelle le système était installé. Dans ce mémoire, quelques recommandations sont proposées pour améliorer le concept du système de pointage. La première est de ne pas adapter les moteurs pour résister au froid, mais plutôt de les chauffer pendant la nuit d'observation. Le contrôle des moteurs devrait aussi être fait en vitesse plutôt qu'en position. Une dernière recommandation serait d'ajouter un gyromètre en boucle ouverte afin de pouvoir atténuer une partie de la perturbation sans l'aide du contrôleur.

Aujourd'hui une augmentation de l'intensité des extrêmes hydrologiques est attendue avec le réchauffement global. Cependant le manque d'observations des phénomènes torrentiels et de mesures directes des précipitations en altitude sur le temps long ne permet pas d'étayer cette théorie. Les archives naturelles lacustres, par leur capacité à enregistrer l'évolution passée de l'activité torrentielle, offrent l'opportunité de combler ce manque. L'objectif de la thèse est de reconstituer l'évolution de la fréquence et de l'intensité des crues passées, à partir de l'étude de séquences sédimentaires de lacs d'altitude des Alpes Françaises. Afin d'être en mesure d'évaluer le rôle de la température sur l'activité torrentielle, notre étude se focalise sur le dernier millénaire qui a connu des périodes climatiques contrastées ; période chaude de l'Optimum Médiéval (OM), période froide du Petit Age Glaciaire (PAG) et réchauffement global actuel. Les sites d'étude ont été sélectionnés selon un transect nord-sud pour évaluer la variabilité régionale de l'activité torrentielle en réponse aux changements climatiques. Ce travail repose sur des analyses sédimentologiques et géochimiques à haute résolution qui ont permis i) de identifier les dépôts de crue, ii) de les distinguer de dépôts similaires issus de remaniements gravitaires et iii) de déterminer un marqueur fiable de l'intensité des événements. D'autre part plusieurs méthodes de datation ont été combinées dans l'objectif de diminuer les incertitudes des modèles d'âge. La fréquence de crue à l'échelle pluri-séculaire apparaît en augmentation sur l'ensemble des Alpes Françaises au cours de la période froide du PAG. Cependant à l'échelle pluri-décennale la fréquence de crue évolue différemment entre le Nord et le Sud des Alpes. Les maxima de fréquence apparaissent au cours de périodes chaudes dans les Alpes du Nord, alors que les maxima dans les Alpes du Sud semblent correspondre à des phases négatives de l'Oscillation Nord-Atlantique. De plus les événements de crue extrême se produisent au cours des périodes les plus chaudes dans les Alpes du Nord alors qu'ils apparaissent au cours du PAG dans les Alpes du Sud. Ces résultats suggèrent donc une régionalisation des effets du réchauffement global sur les crues extrêmes et les précipitations intenses.

Aujourd'hui une augmentation de l'intensité des extrêmes hydrologiques est attendue avec le réchauffement global. Cependant le manque d'observations des phénomènes torrentiels et de mesures directes des précipitations en altitude sur le temps long ne permet pas d'étayer cette théorie. Les archives naturelles lacustres, par leur capacité à enregistrer l'évolution passée de l'activité torrentielle, offrent l'opportunité de combler ce manque. L'objectif de la thèse est de reconstituer l'évolution de la fréquence et de l'intensité des crues passées, à partir de l'étude de séquences sédimentaires de lacs d'altitude des Alpes Françaises. Afin d'être en mesure d'évaluer le rôle de la température sur l'activité torrentielle, notre étude se focalise sur le dernier millénaire qui a connu des périodes climatiques contrastées ; période chaude de l'Optimum Médiéval (OM), période froide du Petit Age Glaciaire (PAG) et réchauffement global actuel. Les sites d'étude ont été sélectionnés selon un transect nord-sud pour évaluer la variabilité régionale de l'activité torrentielle en réponse aux changements climatiques. Ce travail repose sur des analyses sédimentologiques et géochimiques à haute résolution qui ont permis i) de identifier les dépôts de crue, ii) de les distinguer de dépôts similaires issus de remaniements gravitaires et iii) de déterminer un marqueur fiable de l'intensité des événements. D'autre part plusieurs méthodes de datation ont été combinées dans l'objectif de diminuer les incertitudes des modèles d'âge. La fréquence de crue à l'échelle pluri-séculaire apparaît en augmentation sur l'ensemble des Alpes Françaises au cours de la période froide du PAG. Cependant à l'échelle pluri-décennale la fréquence de crue évolue différemment entre le Nord et le Sud des Alpes. Les maxima de fréquence apparaissent au cours de périodes chaudes dans les Alpes du Nord, alors que les maxima dans les Alpes du Sud semblent correspondre à des phases négatives de l'Oscillation Nord-Atlantique. De plus les événements de crue extrême se produisent au cours des périodes les plus chaudes dans les Alpes du Nord alors qu'ils apparaissent au cours du PAG dans les Alpes du Sud. Ces résultats suggèrent donc une régionalisation des effets du réchauffement global sur les crues extrêmes et les précipitations intenses. / An increase of the intensity of hydrological extremes is expected in the current context of the global warming. However, the lack of observations of torrential events and measurements of precipitation at high elevation areas does not allow supporting this theory. Past flood evolutions can be recorded in lake sediments and allow to explore the evolution of such events and the relationships to past climatic changes. This work aims at reconstructing the past evolution of flood frequency and intensity based on the study of sediment sequences of high elevation lakes of the French Alps. To assess the role of the temperature on this evolution, our study focused over the last millennium which includes thermal-contrasted periods such as the warm Medieval Climate Anomaly and the cold Little Ice Age. Studied sites were selected along a north-south transect to investigate the regional variability of flood evolution in response to the same context of past climatic changes. High-resolution sedimentological and geochemical analyses allowed to identify a large number of flood deposits, distinguish deposits resulting from floods from gravity processes and to assess a reliable flood intensity proxy. Some distinct dating methods were finally used to reduce age uncertainties on the age-depth relationships. An increase of the flood frequency at a multi-secular time-scale appeared over the entire French Alps during the Little Ice Age. However at a multi-decennial time-scale flood frequencies evolved differently between the north and the south of the French Alps. Maxima of flood frequency appear during the warmer periods in the northern Alps while maxima of flood frequency appear during negative phases of the North Atlantic Oscillations. Finally the most extreme events occurred during the warmer periods in the northern Alps while they occur during the Little Ice Age in the southern ones. Those results suggest thus distinct regional effects of the global warming on extreme flood events and intense precipitations and, especially, an increase of flood hazard in the northern French Alps owing to an increase of flood intensity with the warming context.

Le développement et la certification de systèmes propulsifs aéronautiques nécessitent une phase d'essais sur banc moteur. Ces essais permettent entre autres de caractériser les limites d'allumage des foyers de combustion de turbomachines, mais sont extrêmement coûteux et générateurs de délais pour l'industriel. Afin de limiter leur recours, il est nécessaire de développer des méthodes permettant de prévoir de la façon la plus fiable possible les performances d'allumage d'un prototype de chambre de combustion, et ce aussi bien pour des conditions de décollage au niveau de la mer que pour le cas critique de la haute altitude.L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement et à la validation d’outils numériques pour la prévision de l'allumage des foyers de combustion à partir de données expérimentales obtenues sur le banc MERCATO de l’ONERA. Ces travaux ont été conduits en étroite coopération avec TURBOMECA. Des améliorations ont été apportées à un modèle permettant de simuler l'allumage d'un brouillard de carburant suite à un dépôt d'énergie par bougie à arc électrique. Ce modèle a été couplé à un code de calcul multiphysique (code CEDRE) afin d'établir des cartographies d'allumage à partir d'un champ aérodiphasique moyenné, mais également de simuler la phase de propagation de la flamme à l’ensemble du foyer par approche RANS pseudo-stationnaire. Afin de valider ces deux approches, une caractérisation expérimentale d'une maquette de chambre mono-secteur a été réalisée sur le banc d'essai MERCATO. Ces essais ont permis de constituer une banque de données très fournie pour différents cas tests. La comparaison de la cartographie d’allumage expérimentale à celle fournie par la simulation numérique donne des résultats très satisfaisants et encourageants en vue d’une application à un foyer réel de turbomachine. En parallèle, des résultats très prometteurs ont été obtenus sur une nouvelle maquette de chambre de combustion trisecteur,dérivée d'un foyer industriel, permettant de comparer ses limites d’allumage à celles obtenues sur la chambre réelle. Cette configuration fera l’objet par la suite d’une étude détaillée de la propagation de la flamme intersecteurs, impossible à réaliser sur la géométrie d'un foyer annulaire complet. / Design of aircraft engines requires tests on engine benches. These tests allow characterizing combustor ignition limits, but are extremely expensive and time consuming. In order to limit their number, it is necessary to develop alternative methods enabling to predict the ignition performances of a combustor prototype, for both ground conditions and high altitude conditions, the latter being particularly critical.The purpose of this thesis is to contribute to the development and validation of numerical tools enabling to predict ignition performances of combustor. Validation will be possible using an experimental data base obtained on the MERCATO test bench, at ONERA. This work results from a close cooperation with TURBOMECA. A numerical model, previously developed to predict the ignition of fuel spray following a spark discharge, has been improved. This model has been combined to a multiphysics CFD code (CEDRE) in orderto build ignition map from a mean two-phase flow field, and also to compute the flame propagation stage using RANS approach. In order to validate both methods, experimental characterization of a one-sectorcombustor has been performed on the MERCATO test rig. A complete data base for validation of CFD code isnow available. Comparison of experimental and numerical ignition mapping showed good agreements for the different tests cases, and seems encouraging for an application on an industrial combustor. In the same time,promising results have been obtained with a new experimental three-sector combustor. Its geometry is basedon an industrial combustor, allowing a comparison of ignition performances between the simplified and the industrial combustors